中高层大气测风激光雷达数据采集系统.pdf
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1、第 42 卷第 1期 2015 年 1月 Vol. 42, No. 1 January,2015 中国激光 CHINESEJOURNALOF LASERS 0113002 - 中高层大气测风激光雷达数据采集系统 高 昕 1 韩於利 2 金 革 1 1中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室 , 安徽 合肥 230026 2 中国科学技术大学中国科学院临近空间重点实验室, 安徽 合肥 230026 摘要研制了应用于中高层大气(1560 km)多普勒测风激光雷达(DWL) 的双模式数据获取系统(DMDAQ) 。该系统 技术指标达到国际先进水平,不仅满足了中高层大气多普勒测风激光雷达线性动态探
2、测范围大、时空分辨率高的 技术要求, 而且以其集成度高、可重构的特性满足当前车载DWL 研制中小型化和更新升级的需要。为了验证该数 据获取系统的性能,进行了风场观测对比实验。结果显示,车载 DWL 系统对风场观测的结果与气球探测结果在重 叠区域 (1535 km)上基本一致。同时,对车载DWL 系统的实时回波信号分析显示,在 60 km 探测高度上的风速测量 精度为 6 m/s。 关键词遥感 ; 测风激光雷达; 双边缘技术; 数据获取; 大动态范围 中图分类号TN958.98文献标识码A doi:10.3788/CJL201542.0113002 DataAcquisitionSystemfo
3、rWindLidarin theUpperAtmosphere Gao Xin 1 Han Yuli 2 Jin Ge 1 1State Key Laboratory of ParticleDetectionand Electronics,Universityof Science and Technologyof China, Hefei,Anhui230026 , China 2Chinese Academyof SciencesKey Laboratoryof Geospace Environment,Universityof Science and Technologyof China,
4、Hefei,Anhui230026, China AbstractA doublemode data acquisition(DMDAQ)systemis developedfor DopplerwindLidar(DWL)in the upperatmosphere(1560km).The technicalindicatorsof the systemreach internationaladvancedlevel. The DMDAQsystemnotonlysatisfiesthe requirementsof upperatmosphericDWLwiththe properties
5、of wide lineardynamicdetectionrange and excellentspatialand temporalresolution,but also convenientlyto update andincorporateintheminiaturizationmobileDWLsystemduetoitshighintegrationandreconfigurable characteristics.InordertoevaluatetheperformanceoftheDMDAQsystem,thewindfieldobservation contrastexpe
6、rimentiscarriedout.TheresultrevealsthattheLidarobservationagreeswellwiththe radiosondeballoonin the heightrange of overlappingdata (1535km).Besides,the accuracyof windvelocity is 6 m/s in the 60 km detectionheightaccordingto the simultaneousDWL echo signal. Keywordsremotesensing;windLidar;double-edg
7、etechnique;data acquisition;large dynamicrange OCIScodes010.3640; 120.1880; 280.3640 收稿日期: 2014-07-21;收到修改稿日期: 2014-08-23 基金项目: 国家自然科学基金(11375179) 作者简介: 高昕 (1987 ) , 女,博士研究生, 主要从事激光雷达电子学系统方面的研究。E-mail: 导师简介: 金革 (1960 ) , 男,博士,教授,主要从事物理电子学方面的研究。E-mail:( 通信联系人) 1引言 精确实时的全球三维风场分布对于研究大气动力学、提高数值天气预报的准确性和
8、预警生化污染等方 面具有重要意义。近年来,随着我国在航空航天领域的迅速发展,临近空间环境尤其是中高层大气风场分 布在飞行器航道安全监测和武器发射条件校准等方面的应用显得尤为重要 1-4 。国内, 多家单位通过各种技 1 中国激光 0113002 - 术手段分别对不同高度的大气风场进行过相关研究。中国科学技术大学钠测温测风激光雷达系统对于中 间层顶区域(80105 km)大气风场进行探测 5; 中国科学院上海光学精密机械研究所、 中国海洋大学等依托相 干技术观测了近地面风场(3 km 以下 ) 6-7 ; 中国海洋大学组建的碘吸收技术直接测风雷达探测高度达10 km8。 然而,2060 km 的
9、风场探测在国内始终是一片空白。大气分子提供了覆盖全球范围不同探测高度的理想散 射 源 。 目 前 , 依 赖 于 分 子 瑞 利 散 射 的 多 普 勒 测 风 激 光 雷 达 (DWL) 在 国 际 上 被 公 认 为 是 临 近 空 间 风 场 (20 80 km)探测最有利的工具。2013 年,中国科学技术大学基于双边缘技术建立的车载瑞利DWL , 该激光器的 重复频率为50 Hz, 单脉冲能量为350 mJ, 探测器量子效率为20% , 实现了对平流层至中间层底部的风场测 量, 探测高度达60 km, 水平风速误差约为6 m/s。 DWL 由激光发射机、 接收望远镜、 鉴频器和采集电子
10、学四大部分组成。其中,采集电子学性能直接影响 了激光雷达的探测高度和时空分辨率。一方面,考虑到散粒噪声极限,激光雷达的探测信噪比正比于接收 到的回波信号光子数的平方根。大气密度随高度呈指数下降,而根据雷达方程可知,激光雷达的后向散射 信号强度与探测距离二次方成反比。考虑探测区域为1560 km, 则散射信号强度的变化范围超过4 个数量 级, 通常的光电探测器很难线性响应这个极限。因此,DWL 的探测高度要求采集电子学的线性动态范围具 有 56 个数量 级 。 另 一 方 面 , 现 在 很 多 重 要 的 大 气 动 力 学 过 程 可 以 通 过 激 光 雷 达 进 行 观 测 。 例 如
11、, 发 生 在平流层顶(50 km)的风切变, 在波的传播、 反射和滤波方面起着重要作用。而对于风切变的观测需要很高 的时空分辨率,这对采集电子学提出了更高要求。此外,统计意义上, 信号的多次累积可以消除背景噪声的 随机起伏。因此,采集电子学时空分辨率的提高对于激光雷达信噪比的提高具有重要意义。目前国内已有 的数据采集系统(DAQ) 尚不具备上述探测能力,国际上也仅有德国Licel 公司的TR 设备基本满足要求。考虑 到激光雷达小型化、集成化的发展趋势以及系统升级的实际需要,有必要研制具有自主知识产权的数据采 集系统。 本文提出的双模式数据获取系统(DMDAQ) 采用模拟和单光子计数相结合的光
12、电探测技术,将两种探测 技术同步累计得到的数据用最小二乘法加以拼合,成功解决了低层强信号非线性堆积和高层微弱信号的低 信噪比问题, 极大地提高了探测的线性动态范围。DMDAQ 研发的难点在于光子计数的高速高增益放大;模/ 数 (A/D) 转换带宽内模拟信号的严格线性放大;特别是双模式数据拼合区的探测上,一方面要求模拟探测极 大地抑制噪声,提高对弱信号的分辨能力,另一方面要求单光子探测具有高计数率并能够避免大信号造成 的饱和效应。另外,DMDAQ 以具有快速、 复杂数据处理能力和可重构性等特点的现场可编程门阵列(FPGA) 作为数控核心,使 DMDAQ 可被开发成专注于激光雷达领域具有可重构性的
13、高指标数据采集系统,能够用于 Licel 不能胜任的系统中,例如高重复频率(几百千赫兹)的微脉冲激光雷达(Licel 最大响应重复频率为11 kHz) 以及需要数字信号处理的相干探测中。DMDAQ 已被成功应用于中高层多普勒风速测量,在对比实验中,观 测结果与Licel 一致性好, 证明了其可靠性。 2多普勒测风系统 DWL 通过差分测量出射激光和大气回波之间的频率差来反演风速。鉴频器采用三通道法布里- 珀罗 (F-P) 标准具。激光发射频率被锁定在两个边缘通道交点处,当存在径向风速时,后向散射信号会附加一个 多普勒频移, 引起双边缘通道其中一个接收到的信号强度增加,另一个接收到的信号强度减小
14、,如图 1 阴影 部分所示。多普勒频移根据这两个通道接收到的信号比值反演得到。另外,锁定通道用来监测发射激光频 率, 使标准具主动跟踪发射激光频率 3。 径向风速Vr可表达为 Vr = 2 = 2 () - L = 2 R-1( ) - T -1 L () L ,(1) 式中频率响应函数R( ) 和锁定通道对发射激光的透过率T L () L 分别为 R( ) = T 1( ) /T 2( ) = I 1( ) /I 2( ) ,(2) T L( ) L = I Ls/ILe ,(3) 2 中国激光 0113002 - 式中 T 1( ) 和 T 2( ) 为双边缘通道透过率,I 1( ) 和
15、I 2( ) 是透过两个边缘通道的信号强度,I Le 和 I Ls 分别是出 射 参 考 光 和 其 透 过 锁 定 通 道 的 能 量 。 DWL 接 收 机 光 路 和 数 据 采 集 系 统 如 图 2 所 示 。 风 速 反 演 依 赖 于 I 1( ) /I 2( ) , 因此,DMDAQ 必须保证严格线性,这样双通道测量值I 1( ) 、I 2( ) 的不一致性就不会影响风速反 演, 即 I 1( ) I 2( ) = a 1?I1( ) a 2?I2( ) I 1( ) I 2( ) ,(4) 式中 a 1 和 a2为常量。 3DMDAQ 设计 3.1双模式探测 模拟采样与单光子
16、计数方式在同采集卡上并行实现,避免了多器件测量下接地环路等因素的干扰,提高 了两部分拼合的可靠性和精度。该探测技术采用具有稳定倍增级链的光电倍增管(PMT, R7400U)实现的,减弱 了强光子计数率下的空间电荷效应,因此具有更高的线性响应范围。DMDAQ 结构如图3 所示,主要模块有前 端调理电路、 模拟数字转换器(ADC)/ 数字模拟转换(DAC) 、 可重构处理单元(RPU)、 同步控制和总线接口。 图 3 DMDAQ 设计图 Fig.3 Block diagram of DMDAQ 单光子计数前端电路针对微弱窄脉冲信号,要求高速高增益放大、高灵敏度甄别,且去除脉冲堆积影 响。因此采用级
17、联放大器在提高增益的同时保证高速信号不失真;而比较器可甄别的最小脉宽为1.3 ns, 能 够分辨脉宽为4 ns 的 PMT 脉冲信号。级联放大器构成的带通滤波电路带宽为20250 MHz , 交流耦合移除了 直流和低频成分,使基线固定,20 MHz 以下的信号成分由模拟探测电路获取, 250 MHz 的最大计数率满足 PMT 响应要求。模拟探测要求在A/D 转换的带宽内严格线性放大,使强光下的模拟电流信号符合ADC 输入 限制,并对板级噪声干扰进行抑制以保证对小信号转换的精度。020 MHz 的抗混叠滤波电路通过前端放大 图 1 信号散射谱及三通道标准具透射率曲线 Fig.1 Spectrum
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